CN101998071A - 地面数字电视接收机及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面数字电视接收机，包括高频头、A/D转换器、自动增益控制单元、正交解调单元和同步单元，信道估计单元估计出基带信号的信道响应；去保护间隔单元去除基带信号中的保护间隔；FFT单元将去除保护间隔后的基带信号变换到频域；第二FFT单元将信道响应变换到频域；频域均衡单元对频域基带信号进行频域均衡；IFFT单元对频域均衡后的单载波数据变换到时域；解系统信息单元解出系统信息，判断出载波模式；时域噪声消除单元消除有色噪声；选择器选择相应的均衡结果；信道译码单元完成信道译码后输出TS码流。本发明还公开了一种接收单载波和多载波的方法。本发明既能接收单载波信号又能接收多载波信号，适用于地面数字电视接收系统。

Description

地面数字电视接收机及接收方法

技术领域

本发明涉及地面数字电视领域，特别是涉及一种地面数字电视接收机。本发明还涉及一种利用所述地面数字电视接收机接收单载波和多载波信号的方法。

背景技术

按信号传输介质的不同，数字电视可分为地面数字电视、有线数字电视、卫星数字电视。近些年，地面数字电视发展迅速。到目前为止，全球最主要的地面数字电视标准有四个，分别是美国先进电视业务委员会ATSC、欧洲数字视频广播DVB-T、日本综合业务数字广播ISDB-T以及中国的地面数字电视标准。

在上述四个地面数字电视标准中，按照调制方式不同可以分为两类。一类是采用单载波调制技术的系统，包括美国的ATSC标准和中国地面数字电视标准中的单载波部分，另一类是采用多载波调制技术的系统，包括欧洲的DVB-T标准、日本的ISDB-T标准以及中国地面数字电视标准中的多载波部分。

单载波调制系统和多载波调制系统各有优缺点。采用单载波调制技术的系统频谱效率高、峰均功率比小，但抵抗长回波、强回波以及动态多径能力弱；而多载波调制系统抗多径干扰能力强，但多载波调制对同步误差比较敏感、峰均功率比大。

图1是基于单载波调制技术的ATSC地面数字电视系统的接收机框图，接收的射频信号先通过高频头11传输给A/D转换器12，A/D转换器12的一路输出通过自动增益控制13后反馈给高频头11，A/D转换器12的另一路输出通过正交解调21、同步31、时域均衡(噪声消除)41、信道译码51后输出TS(Transport Stream，传输流)码流。

图2是基于多载波调制技术的DVB-T地面数字电视系统的接收机框图，接收的射频信号先通过高频头11传输给A/D转换器12，A/D转换器12的一路输出通过自动增益控制13后反馈给高频头11；A/D转换器12的另一路输出通过正交解调21、同步31、去保护间隔40传输给FFT(快速傅里叶变换)单元42；FFT单元42的输出分为三路，一路反馈给同步31，另一路通过信道估计43后输入给频域均衡44，第三路直接输入到频域均衡44；频域均衡44的输出通过信道译码51后输出TS码流。

比较图1和图2可以看出，在图1所示的结构中同步后的信号直接进行时域噪声消除，然后进行信道译码；而图2所示的结构中同步后的信号需先经过FFT，再进行信道估计和频域均衡，然后进行信道译码。根据上面的分析可知，单载波接收机和多载波接收机最主要的区别在于接收机的均衡部分。

中国具有自主知识产权的数字电视地面广播标准GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》支持高清晰度电视、标准清晰度电视和多媒体数据广播等多种业务，满足大范围固定覆盖和移动接收需要。该标准突破性的取得了单、多载波调制技术的融合，是我国自主创新的一项新的重要成果。基于该标准的系统性能好，频谱利用率高，可扩展性强，适应我国城乡不同应用需求。由于我国的地面数字电视采用的是单载波和多载波调制技术的融合标准，再加之单载波调制和多载波调制的原理不同，很难采用传统接收方法实现同时支持单载波和多载波的接收。如果对单载波接收机和多载波接收机进行简单的复合叠加，不仅带来电路实现复杂度的增加，还使得芯片的设计周期增长、成本提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一个地面数字电视接收机，能够同时支持单载波和多载波接收；为此，本发明还要提供一种利用所述地面数字电视接收机接收单载波和多载波信号的方法。

为解决上述技术问题，本发明的地面数字电视接收机，包括：

高频头，将射频信号频谱搬移到中频，滤除频带外的干扰，并对射频信号进行放大；

A/D转换器，其输入端与高频头连接，其输出端分别与自动增益控制单元和正交解调单元相连接；将高频头放大后的模拟射频信号变为数字带通信号；

自动增益控制单元，其输出端与高频头连接，根据数字带通信号的功率大小调整高频头的放大增益；

正交解调单元，其输出端与同步单元相连接，对数字带通信号的频谱进一步搬移，使其成为中心频率为零附近的准基带信号；

同步单元，其输出端分别与去保护间隔单元，信道估计单元相连接，对准基带信号进行定时恢复和载波跟踪，提取准基带信号中的载波，根据恢复的载波将准基带信号变为基带信号；其特征在于，还包括：

信道估计单元，其输出端分别与第二FFT单元，去保护间隔单元相连接，估计出基带信号的信道响应；

去保护间隔单元，其输出端与FFT单元相连接，根据估计出的信道响应，去除基带信号中的保护间隔；

FFT单元，其输出端与频域均衡单元相连接，将去除保护间隔后的基带信号变换到频域；

第二FFT单元，其输出端与频域均衡单元相连接，将估计出的信道响应变换到频域；

频域均衡单元，其输出端分别与选择器，IFFT单元，解系统信息单元相连接，根据第二FFT单元输出的频域信道响应对去除保护间隔后的频域基带信号进行频域均衡；

IFFT(快速傅里叶反变换)单元，其输出端与解系统信息单元相连接，对频域均衡后的单载波数据进行IFFT运算变换到时域；

解系统信息单元，其输出端分别与选择器，时域噪声消除单元相连接，根据频域均衡后的数据和IFFT单元输出的时域数据解出系统信息，判断出载波模式；根据载波模式控制选择器选择相应的均衡结果输出；

时域噪声消除单元，其输出端与选择器相连接，对IFFT单元变换后的单载波时域数据信号消除有色噪声；

选择器，其输出端与信道译码单元相连接，选择相应的均衡结果，如果为多载波模式，直接将频域均衡单元均衡后的数据输出到信道译码单元；否则，根据解系统信息单元解出的系统信息，将时域噪声消除单元消除有色噪声后的单载波时域数据信号输出至道信道译码单元；

信道译码单元，完成信道译码后输出TS码流。

本发明利用所述地面数字电视接收机接收单载波和多载波信号的方法是：

将射频信号频谱搬移到中频，滤除频带外的干扰，并对射频信号进行放大；将高频头放大后的模拟射频信号变为数字带通信号；并根据数字带通信号的功率大小调整高频头的放大增益；

对数字带通信号的频谱进一步搬移，使其成为中心频率为零附近的准基带信号；对准基带信号进行定时恢复和载波跟踪，提取准基带信号中的载波，根据恢复的载波将准基带信号变为基带信号；

估计出基带信号的信道响应；根据估计出的信道响应，去除基带信号中的保护间隔；

将去除保护间隔后的基带信号变换到频域；

将估计出的信道响应变换到频域；根据频域信道响应对去除保护间隔后的频域基带信号进行频域均衡；对频域均衡后的单载波数据进行IFFT运算变换到时域；对IFFT单元变换后的单载波时域数据信号消除有色噪声；

根据频域均衡后的数据和IFFT单元输出的时域数据解出系统信息，判断出载波模式；根据载波模式控制选择相应的均衡结果输出；

选择相应的均衡结果，如果为多载波模式，直接将频域均衡后的数据输出到信道译码单元，完成信道译码后输出TS码流；否则，根据解出的系统信息，将消除有色噪声后的单载波时域数据信号输出至信道译码单元完成信道译码后输出TS码流。

本发明根据基于单载波和多载波调制技术接收机的主要区别，对接收机的均衡部分进行融合处理。对接收到的单载波或多载波信号进行频域均衡，并对频域均衡后和IFFT后的数据解系统信息，进一步根据解出的系统信息中的载波模式信息选择相应的单载波均衡或者多载波均衡结果输出，实现在单一接收机上对单载波和多载波的接收。同时基于本发明的接收机的电路设计开销远小于单载波接收机和多载波接收机简单的复合叠加，进一步减小芯片的设计周期和成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是基于单载波调制技术的地面数字电视接收机原理框图；

图2是基于多载波调制技术的地面数字电视接收机原理框图；

图3是本发明的地面数字电视接收机一实施例原理框图；

图4是帧结构示意图；

图5是图3中时域噪声消除单元一实施例原理框图。

具体实施方式

参见图3所示，在本发明的一实施例中，同时支持单载波和多载波接收的地面数字电视接收机包括：

高频头11，其输入端接收的是射频信号和自动增益控制单元13输出的信号，其输出端与A/D转换器12进行连接；通过天线接收到的射频信号通过高频头11将射频信号频谱搬移到中频，滤除频带外的干扰，并对射频信号进行放大。

A/D转换器12，其输出端分别与自动增益控制单元13和正交解调单元21相连接；将高频头11放大后的模拟射频信号变为数字带通信号。

自动增益控制单元13，根据A/D转换器12输出的数字带通信号的功率大小调整高频头11的放大增益，使得A/D转换器12输出的数字带通信号的功率调整到合适的大小。

正交解调单元21，其输出端与同步单元31相连接，对A/D转换器12输出的数字带通信号频谱进一步搬移，使其成为中心频率为零附近的准基带信号。

同步单元31，其输出端分别与去保护间隔单元40，信道估计单元43相连接，对准基带信号进行定时恢复和载波跟踪，使得接收到的符号的时钟同步于发射的符号时钟，提取准基带信号中的载波，根据恢复的载波将准基带信号变为基带信号。

信道估计单元43，其输出端分别与第二FFT单元45，去保护间隔单元40相连接，估计出基带信号的信道响应。

去保护间隔单元40，其输出端与FFT单元42相连接，根据估计出的信道响应，去除同步单元11恢复出的基带信号中的保护间隔。

FFT单元42，其输出端与频域均衡单元44相连接，将去除保护间隔后的基带信号进行FFT运算变换到频域。

第二FFT单元45，其输出端与频域均衡单元44相连接，将估计出的信道响应进行FFT运算变换到频域。

频域均衡单元44，其输出端分别与选择器49，IFFT单元46，解系统信息单元48相连接，根据第二FFT单元45输出的频域信道响应对去除保护间隔后的频域基带信号进行频域均衡。

IFFT单元46，其输出端与解系统信息单元48相连接，对频域均衡后的单载波数据进行IFFT运算变换到时域。

解系统信息单元48，其输出端分别与选择器49，时域噪声消除单元47相连接，对频域均衡单元45输出的数据和IFFT单元46输出的时域数据解出系统信息，判断出载波模式；根据载波模式控制选择器49选择相应的均衡结果输出。频域均衡后的数据和IFFT变换后的数据中，系统信息部分一路是已知的特定序列，另一路是随机信号，可根据已知的特定序列的相关性采用相关的方法解出系统信息。

时域噪声消除单元47，其输出端与选择器49相连接，利用解出的系统信息作为其训练序列，并根据解出的系统信息控制其判决器的判决，对IFFT单元46变换后的单载波时域数据信号消除有色噪声。

选择器49，其输出端与信道译码单元51相连接，选择相应的均衡结果，如果解系统信息单元48判断为多载波模式，直接将频域均衡单元44均衡后的数据输出到信道译码单元51；否则，根据解系统信息单元48解出的系统信息，将IFFT单元46输出的数据通过时域噪声消除单元47后输出至道信道译码单元51。

信道译码单元51，完成信道译码后输出TS码流。

所述基带信号具有如图4所示的帧结构，包括帧头和帧体两个部分，帧头部分为时域导频已知序列。帧体部分包括系统信息和数据块，帧体部分可以是OFDM(正交频分复用)数据块也可以是非OFDM数据块。

图3中的频域均衡单元45可以采用ZF(Zero Forcing，迫零)均衡或MMSE(Minimum Mean Square Error，最小均方误差)均衡方法进行频域均衡。

ZF均衡可以表示为，

$Y_m=\frac{R_m}{H_m},$ 0≤m≤N-1(公式1)

其中，m表示子载波下标，R表示帧体数据，H表示频域信道响应。

ZF均衡可以将信号无失真的恢复出来，但是当信道存在深衰落点，噪声会被放大。

为了保证在频域均衡时噪声不会被放大，可以进行MMSE均衡，MMSE均衡可以表示为，

$Y_m=\frac{R_m*H_m^{*}}{{\left|H_m\right|}^2+1/\mathrm{SNR}},$ 0≤m≤N-1(公式2)

式中，m表示子载波下标，R表示帧体数据，H表示频域信道响应，SNR表示信噪比，(·)^*表示复共轭。

MMSE均衡在信道存在深衰落点时噪声不会被过分的放大，从而性能优于ZF均衡，但是由于信号并没有被无失真的恢复出来，MMSE均衡是以信号失真为代价来保证噪声不被过分放大。

当接收的是多载波信号时，频域均衡后的数据信号直接经选择器49选择后进行信道译码。

当接收的是单载波信号时，频域均衡后的数据信号还需要经过IFFT运算变回到时域。由于被放大的噪声经过IFFT运算后被扩散到所有时域符号上，导致误码发生；而且对于深衰落信道，干扰会变大，其噪声频谱不是白噪声，而是有色噪声。因此，在频域均衡后还需要在时域消除有色噪声带来的影响后才能进行信道译码。为此，在频域均衡后增加一个时域噪声消除单元47消除有色噪声的影响。

所述时域噪声消除单元47的一实施例如图5所示，包括：

第二选择器472，根据解系统信息单元48解出的系统信息s(k)的位置选择使用解出的系统信息或者判决器479的判决结果

加法器471，将经IFFT单元46变换后的时域信号y(k)与第二选择器472选择后输出的数据信号相减，得到时域信号中的有色噪声n(k)。

时间延时线单元473，对有色噪声进行延时。

第二加法器474，将有色噪声和抽头滤波求和单元477输出的有色噪声的估计值相减得到误差信号e(k)。

乘法器475，将误差信号e(k)与抽头更新步长μ相乘得到抽头更新的误差量。

抽头更新单元476，对时间延时线单元473延时后的有色噪声，和乘法器475输出的抽头更新的误差量进行运算，产生抽头更新量并对抽头更新单元476的抽头进行更新。

抽头滤波求和单元477，对时间延时线单元473延时后的有色噪声，和更新后的抽头进行滤波求和运算估计出有色噪声的估计值

第三加法器478，从IFFT单元46变换后的时域信号中减去有色噪声的估计值，对IFFT单元46变换后的时域信号进行白化处理，并将白化处理后的时域信号输出至选择器49。

判决器479，利用解系统信息单元48解出的系统信息s(k)作为其训练序列，并根据解出的系统信息对白化处理后的时域信号进行判决。判决方法可以采用简单的硬判决算法，比如Slicer算法；也可以采用较为复杂的软判决算法，比如：维特比软判决算法、NR软判决算法等等。

下面说明时域噪声消除的算法。抽头滤波求和单元477的输出，即有色噪声的估计值可以表示为：

$\hat{n}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}w(i,k)*n(k-i)$ (公式3)

其中i为抽头位置，i＝1，2，□□□M，k为信号的采样时刻。

抽头更新方程可以表示为：

w(i，k+1)＝w(i，k)+μ*e(k)*n^*(k-i)(公式4)

式中，μ为抽头更新步长，e(k)为误差信号，(·)^*表示复共轭。

误差信号e(k)是加法器474的输出，即有色噪声n(k)与有色噪声估计值

的差值。表达式如下：

$e\left(k\right)=n\left(k\right)-\hat{n}\left(k\right)$ (公式5)

有色噪声n(k)是加法器471的输出，即输入信号(IFFT单元46变换后的时域信号)y(k)与选择器472输出的差值。表达式如下：

(公式6)

其中，

为判决器的输出值，s(k)为恢复出的系统信息。

时域噪声消除单元47的输出表达式如下：

$\tilde{y}\left(k\right)=y\left(k\right)-\hat{n}\left(k\right)$ (公式7)

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地面数字电视接收机，包括：

高频头，将射频信号频谱搬移到中频，滤除频带外的干扰，并对模拟射频信号进行放大；

A/D转换器，其输入端与高频头连接，其输出端分别与自动增益控制单元和正交解调单元相连接；将模拟射频信号变为数字带通信号；

自动增益控制单元，其输出端与高频头连接，根据数字带通信号的功率大小调整高频头的放大增益；

正交解调单元，其输出端与同步单元相连接，对数字带通信号的频谱进一步搬移，使其成为中心频率为零附近的准基带信号；

同步单元，其输出端分别与去保护间隔单元，信道估计单元相连接，对准基带信号进行定时恢复和载波跟踪，提取准基带信号中的载波，根据恢复的载波将准基带信号变为基带信号；其特征在于，还包括：

信道估计单元，其输出端分别与第二FFT单元，去保护间隔单元相连接，估计出基带信号的信道响应；

去保护间隔单元，其输出端与FFT单元相连接，根据估计出的信道响应，去除基带信号中的保护间隔；

FFT单元，其输出端与频域均衡单元相连接，将去除保护间隔后的基带信号变换到频域；

第二FFT单元，其输出端与频域均衡单元相连接，将估计出的信道响应变换到频域；

频域均衡单元，其输出端分别与选择器，IFFT单元，解系统信息单元相连接，根据第二FFT单元输出的频域信道响应对去除保护间隔后的频域基带信号进行频域均衡；

IFFT单元，其输出端与解系统信息单元相连接，对频域均衡后的单载波数据进行IFFT运算变换到时域；

解系统信息单元，其输出端分别与选择器，时域噪声消除单元相连接，根据频域均衡后的数据和IFFT单元输出的时域数据解出系统信息，判断出载波模式；根据载波模式控制选择器选择相应的均衡结果输出；

时域噪声消除单元，其输出端与选择器相连接，对IFFT单元变换后的单载波时域数据信号消除有色噪声；

选择器，其输出端与信道译码单元相连接，选择相应的均衡结果，如果为多载波模式，直接将频域均衡单元均衡后的数据输出到信道译码单元；否则，根据解系统信息单元解出的系统信息，将时域噪声消除单元消除有色噪声后的单载波时域数据信号输出至道信道译码单元；

信道译码单元，完成信道译码后输出TS码流。

2.如权利要求1所述的地面数字电视接收机，其特征在于：所述基带信号包括帧头和帧体两个部分，帧头部分为时域导频已知序列，帧体部分包括系统信息和数据块，帧体部分是OFDM数据块或非OFDM数据块。

3.如权利要求1所述的地面数字电视接收机，其特征在于：所述频域均衡采用迫零均衡或最小均方误差均衡。

4.如权利要求1所述的地面数字电视接收机，其特征在于：所述时域噪声消除单元，包括：

加法器，将经IFFT单元变换后的时域信号与第二选择器输出的数据信号相减，得到时域信号中的有色噪声；

第二选择器，根据解出的系统信息的位置选择使用解出的系统信息或者判决器的判决结果；

时间延时线单元，对有色噪声进行延时；

第二加法器，将有色噪声和抽头滤波求和单元输出的有色噪声的估计值相减得到误差信号。

乘法器，将误差信号与抽头更新步长μ相乘；

抽头更新单元，对时间延时线单元延时后的有色噪声，和乘法器的运算结果进行运算，产生抽头更新量并对抽头更新单元的抽头进行更新；

抽头滤波求和单元，对时间延时线单元延时后的有色噪声，和更新后的抽头进行滤波求和运算估计出有色噪声的估计值；

第三加法器，从IFFT单元变换后的时域信号中减去有色噪声的估计值，对IFFT单元变换后的时域信号进行白化处理，并将白化处理后的时域信号输出至选择器；

判决器，利用解出的系统信息作为其训练序列，并根据解出的系统信息对白化处理后的时域信号进行判决。

5.如权利要求1所述的地面数字电视接收机，其特征在于：频域均衡后的数据和IFFT变换后的数据中，系统信息部分一路是已知的特定序列，另一路是随机信号，可根据已知的特定序列的相关性采用相关的方法解出系统信息。

6.一种利用权利要求1所述的地面数字电视接收机接收单载波和多载波的方法，其特征在：

将模拟射频信号频谱搬移到中频，滤除频带外的干扰，并对射频信号进行放大；将放大后的模拟射频信号变为数字带通信号；并根据数字带通信号的功率大小调整高频头的放大增益；

对数字带通信号的频谱进一步搬移，使其成为中心频率为零附近的准基带信号；对准基带信号进行定时恢复和载波跟踪，提取准基带信号中的载波，根据恢复的载波将准基带信号变为基带信号；

其特征在于，还包括：

估计出基带信号的信道响应；根据估计出的信道响应，去除基带信号中的保护间隔；将去除保护间隔后的基带信号变换到频域；将估计出的信道响应变换到频域；

根据频域信道响应对去除保护间隔后的频域基带信号进行频域均衡；对频域均衡后的单载波数据进行IFFT运算变换到时域；对IFFT单元变换后的单载波时域数据信号消除有色噪声；

根据频域均衡后的数据和IFFT单元输出的时域数据解出系统信息，判断出载波模式；根据载波模式控制选择相应的均衡结果输出；

选择相应的均衡结果，如果为多载波模式，直接将频域均衡后的数据输出到信道译码单元，完成信道译码后输出TS码流；否则，根据解出的系统信息，将消除有色噪声后的单载波时域数据信号输出至道信道译码单元完成信道译码后输出TS码流。

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